Фотофизические и фотохимические превращения биосистем. Классификация фотобиологических процессов.
Фотобиологическими называют процессы, начинающиеся с поглощения света биологическим соединением и заканчивающиеся определенной физиологической реакцией организма. Фотохимические и фотофизические процессы являются ключевыми в жизнедеятельности биосистем. Подавляющее большинство фотобиологических реакций относятся к эндергоническим.
Фотохимическими реакциями называют такие химические реакции, которые протекают только под воздействием света. Начальной стадией любой фотохимической реакции является поглощение фотона, которое переводит молекулу в возбужденное состояние. Энергия фотонного возбуждения составляет несколько электрон-вольт, в то время как энергия теплового возбуждения при обычных температурах не превышает нескольких сотых электронвольта (Ефот >> Етепл). Высокая энергия фотовозбуждения и обусловливает возможность протекания таких реакций, которые в обычных условиях неосуществимы. Фотонное возбуждение молекулы запускает один из двух возможных механизмов изменения ее химических свойств, каждый из которых затем порождает цепочку обычных химических превращений.
В возбужденной молекуле появляется электрон на высоко расположенной свободной орбитали. Такой электрон легко отделяется от молекулы, и она вступает в реакции фотоокисления. В этом случае возбужденная молекула становится донором электрона.
Типичными донорами являются возбужденные молекулы триптофана и тирозина (ароматические аминокислоты).
C другой стороны, после перехода электрона на один из верхних энергетических уровней на основной орбитали S0 образуется вакансия, в результате чего молекула может вступить в восстановительную реакцию с подходящим донором. В этом случае она становится акцептором электрона. Примером такой реакции служит фотовосстановление хлорофилла.
Продукты первичных окислительно-восстановительных реакций являются свободными радикалами (имеют неспаренный электрон) и обладают высокой химической активностью. Они вступают во вторичные реакции, которые и заканчиваются соответствующей физиологической реакцией.
Энергия света необходима для преодоления активационных барьеров и химических превращения.
Функции света в живых системах:
1 Энергетическая – обеспечение живых систем свободной энергией солнца.
2 Информационная – обеспечение взаимодействия живых систем с окружающей средой.
Классификация фотобиологических процессов.
А) с энергетической т.з.
1. Эндергонические фотобиологические реакции – реакции, в результате которых образуются фотопродукты, обладающие большими запасами свободной энергии. Эти запасы больше, чем у исходных веществ. Смысл: превращение световой энергии в химическую.
2. Экзергонические фотобиологические реакции – идут с уменьшением или без существенного изменения свободной энергии системы (большинство фотобиологический реакции, например, зрение).
В) с функционально-физиологической т.з (биологической стороны):
1. Энергетическиефотобиологические р-ции (АТФ)
2. Информационныефотобиологические р-ции – кванты света по средством образования продуктов запускают усиленные механизмы, организм получает информацию. Например, токсины, зрение у животных, тропизмы, периодизмы.
3. Фотобиосинтетические реакции – отдельные промежуточные стадии последовательных реакций синтеза (например, витамина D, хлорофилла, активация ферментативных систем, синтез пигментов).
4. Деструктивно – модифицирующие фотобиологические реакции – свет повреждает молекулы объекта, индукция химических процессов приводит к повреждению или гибели клеток (организма). Наряду с этим может быть стимуляция или модификация жизненных процессов. Большинство фотобиологических реакций относятся к деструктивно-модифицирующим. Их разделяют на: летальные, мутационные, патофизиологические.
Общая схема фотобиологических процессов.
Отдельный фотобиологический процесс представляет собой сложную последовательность различных стадий :
1. Поглощение энергии фотона хромофорной группой биомолекулы и образование электронно-возбужденных состояний системы
2. Миграция энергии электронного возбуждения
3. Первичный фотофизический акт и появление первичных фотопродуктов
4. Промежуточные стадии, включающие перенос заряда
5. Образование стабильных химических продуктов
6. Физиолого-биохимические процессы
7. Конечный фотобиологический эффект.
Первичные фотохимические продукты (молекулы в электронно-возбужденном состоянии, свободные радикалы) крайне неустойчивы и быстро переходят либо в исходные вещества, либо в устойчивые фотопродукты.
Дата добавления: 2020-11-18; просмотров: 413;